工業材料雜誌五月號推出「燃料電池應用趨勢與技術發展」、「工業管線智慧監測」與「磁記憶體」三大技術專題

 

刊登日期:2018/5/9
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潔淨能源夢想的實現
能源自主關乎國家安全及經濟成長命脈,燃料電池技術是項潔淨、穩定的新能源技術。近日深澳電廠更新擴建通過環評分析,引發環保團體嘩然與地方政府爭議,台灣再度陷入廢核、潔淨能源及永續環境的拉鋸中。如何在確保國內電力供應穩定、環境友善及發電成本等議題下,取得最適化的平衡點,考驗著執政團隊的智慧。日本同樣為能源仰賴進口的島國,或可作為台灣能源發展的參考,高效率燃料電池即是日本能源技術發展的重要項次。而燃料電池除了電力用途(分散式發電廠與定置型發電)與移動載具(燃料電池乘用車、公車與堆高機)等應用,全球燃料電池業界也同步尋找新的應用商機。本期「燃料電池應用趨勢與技術發展」專題,分析國際燃料電池應用領域發展現況,希望啟發產業界前瞻思維,投入研發布局下世代燃料電池。

燃料電池因其能量轉化效率高,具有清潔、無污染、能量密度高、啟動快、連續供電時間長等優點,被認為是未來可兼具能源與環境要求之理想發電裝置。在定置型燃料電池發電應用上,以家用熱電共生系統最具商業化,且當建置量達規模時,亦可達到藏電於民的功效;而結合再生能源與儲能相關技術形成分散式發電系統,將是未來建構穩定的電力供應網路之趨勢。「定置型燃料電池發電應用之發展現況(上)」解析國際燃料電池發電系統應用之發展現況。除研究定置型燃料電池在分散式電力、熱電共生與備用電力系統這三大領域之應用,並概述定置型燃料電池產品之市場發展現況、技術進展與主要國家之政策導向。

燃料電池車具有行駛距離長、可快速充填燃料的優點,被視為是未來車輛的技術主流之一。2013年韓國現代汽車正式量產燃料電池汽車;日本豐田於2014年12月正式量產Mirai;而本田汽車也於2016年推出Clarity。潔淨零碳排的燃料電池車不再是遙不可及的夢想,隨著燃料電池技術精進,燃料電池車的普及化指日可待。而中國「十三五」規劃強力推動的燃料電池車與加氫站,也提供全球能源界新的競技舞台大展身手,各大車廠皆已深耕下世代新能源車輛的技術開發,「燃料電池車發展近況(上)」完整報導燃料電池車的目前發展近況。

燃料電池除了上述的電力用途(分散式發電廠與定置型發電)與移動載具(燃料電池乘用車、公車與堆高機)等應用外,全球燃料電池業界也同步尋找新的應用商機。近年來多旋翼無人機的興起,帶動了圖資分析、無線通訊平台、緊急救災及高速物流的商機。高解析照相及防熱追蹤需求使無人機朝向電動化發展,但電動無人機的續航力始終是發展瓶頸與障礙。燃料電池以能提供高續航電力,而成為相關業者投入研發的新寵兒。「燃料電池於無人機之系統設計與發展現況」介紹燃料電池無人機相關發展、無人機用燃料電池之設計與應用議題。

因應未來燃料電池普及化面臨的成本問題,低成本之鹼性膜燃料電池技術是最有機會承接質子交換膜燃料電池之下世代技術。「下世代鹼性膜燃料電池」一文介紹工研院材化所與全球同步研發之高效陰離子交換膜材料,強化膜材特性並導入連續式塗佈製程。另一研發重點為開發高活性鹼性非鉑觸媒,以非貴金屬鎳為基礎的觸媒,希冀在成本及效能上取代貴金屬之觸媒系統,排除現行燃料電池使用高價及蘊藏量有限的鉑觸媒所造成廣泛應用上的阻礙。最後,結合材化所開發的陰離子交換膜和高反應活性的電極結構,設計出一高功率AEMFC膜電極組。

高雄氣爆後管線安全的新契機
以管線運輸石油、天然氣及工業原料是最常見且經濟、有效的方法。台灣地狹人稠,管線多經過人口密集的地區,2014年高雄氣爆事件發生,促使政府與業者在石化管線管理、安全設計、巡檢、防災機制上更努力落實,以許全民得以在一個安全、無汙染的環境宜居樂活。本期「工業管線智慧監測」專題介紹國內正在開發的洩漏偵測技術及洩漏發生前的劣化偵測預警技術。希望藉由本專題,讓國內相關業者能更清楚掌握地下管線的監控機制,共同為管線安全做最嚴密的把關。

近年來,對長途輸送管線進行劣化與洩漏管理/監測之意識日漸提升,政府、管線業者均積極研擬可行之方案,欲從制度面/管理面的建構以及技術面的提升,來確保管線安全。「ITRI LeakD洩漏感知系統」使用流力計算為基礎分析虛擬管路,比較與真實管路流量壓力的差異,輔以工況識別機器學習演算技術,可實現即時監控管線狀態。監測系統之功能在工研院中興院區1公里管線完成驗證,達到國際規格:洩漏量達1%可偵測,洩漏後於3分鐘內通報;另外增加工況識別之功能,引進圖形辨識技術,開發相關之演算法,可以識別實場操作之穩定運轉、停泵、關閥等管線操作狀態。本技術成果可作為管線安全管理層面的一環。

管線洩漏定位是工業管線安全維護上相當重要的事項,洩漏定位的精度牽涉到訊號測量與處理等諸多細節。「ITRI LeaKnow管線洩漏定位系統」在洩漏發生時,可藉著量測洩漏壓力波由洩漏點往管線兩端傳播的時間差,而定位出洩漏點位置。主要技術原理是偵測管線洩漏引發的負壓力波,此一系統目前經1公里實驗場域管線多次驗證,洩漏定位精度在30公尺以內,後續將持續進行此一系統之精進,並推廣應用於業界。

管線洩漏產生之原因最主要來自第三方挖損或管線腐蝕,定期執行管線外部腐蝕直接評估可加強對於管線防蝕系統之監控。由於國內地下管線周邊設施較為複雜,且常常造成間接檢測受到周邊設施的影響,「地下管線量測分析系統」透過地下驗證場所埋設的特殊設施,解析檢測訊號,以了解管線周邊設施對於管線的影響;並針對管線包覆電磁檢測結果分析訊號,建立一套標準訊號分析程序;另針對箱涵下方管線之陰極防蝕系統,分析箱涵周邊電位影響,提出有效之緊密電位檢測方法,加強間接檢測方法之準確度;也評估利用特徵解析技術的可行性,嘗試藉由訊號處理的輔助,建立智慧化的診斷技術。

而針對廠區製程管線,「ITRI F-finder智慧管路劣化診斷系統(上)」量測分析製程管線振動頻率變化,透過時間域與頻率域訊號的解析技術以及其與管線材料劣化間之特徵模型,可大範圍/長距離有效監測腐蝕劣化發生及定位,有效在管線洩漏前提出材料腐蝕劣化預警。本系統可彌補定期非破壞檢測單點資訊不足之缺點,只要監測物件可觸發振動反應,如橋樑、鋼結構、吊車、桶槽、軌道以及轉動設備組件等,均可採用本系統進行劣化監測,輔助現場人員劣化診斷之能力,提升廠區安全。

下世代記憶體先鋒
這幾年來台積電、三星、IBM、Global Foundries、TDK及海力士等公司,都大力研發一種兼具SRAM的快速、Flash的高密度與非揮發性,以及低成本等各種優勢的記憶體—MRAM(磁性隨機記憶體)。MRAM的壽命長、反應速度快,被認為是最有可能取代SRAM和DRAM的次世代記憶體。MRAM的動作原理來自於自旋電子學,導入傳統以電子傳導而動作的元件中所形成的新興電子元件。將硬碟機的容量推升到TB等級就是因為有了利用自旋效應的巨磁阻(GMR)與穿隧磁阻(TMR)磁頭。如今同樣以TMR原理動作的MRAM已展現其實用性,顯示出結合磁性結構與半導體性質的自旋電子學廣泛而難以估計的應用潛力。本期「磁記憶體」專題就此領域集結四篇專文與讀者分享,細數這項發展至今超過20年、眾多研究者長時間投入研發所累積的成果。

磁記憶體(MRAM)是運用磁膜極化後形成自旋電阻差異來儲存資料,亦被稱為自旋記憶體。從早期磁鼓型、磁芯、磁鍍線至磁泡型記憶體結構,至今已開始走向MRAM半導體記憶體,並持續不斷地朝向微縮尺寸、提升記憶密度、省電及快速作動等方向研發。不同於磁記錄(Magnetic Recording)如磁帶及硬碟,「磁記憶體發展演進簡介」一文由磁記憶體結構的發展演進歷史、原理及應用加以介紹。磁記憶元件因具有非揮發性、高集積度及高速讀寫等優勢,且相容於現有半導體製程,所以更有利於製造與應用,非常適合內嵌整合於主動晶片中或單獨為系統記憶體。相信將來可從非揮發性記憶體脫穎而出,甚至有機會以高速讀寫優勢取代現行硬碟,成為電子裝置最重要的資料儲存器。

近年來磁性隨機存取記憶體(MRAM)成為學術與工業界的熱門研究課題之一。尤其是自旋轉矩傳遞(STT)式的磁記憶體有希望扮演最後一階快取(Last Level Cache)的角色,讓MRAM的技術前景看好。「磁性隨機存取記憶體的發展過程與未來趨勢」針對磁記錄在物理的發展歷史中,其概念性的演變作一個統整;另外點出自旋流驅動的磁性記憶體技術目前發展得相當迅速,未來應用純自旋流在MRAM元件的將有關鍵重要的關鍵角色,相較於半導體技術的實用化,新世代的商業模式會將磁性記憶體更快速地推向市場。

自旋記憶體發展從STT-MRAM到VCMRAM」一文則分別介紹自旋轉移力矩式記憶體(STT-MRAM)、自旋軌道轉矩式記憶體(SOT-MRAM)及電壓控制式記憶體(VCMRAM)的發展史。文中概略介紹各自之讀寫原理、優劣與發展歷程。此三種磁性記憶體,除媲美SRAM的高寫入/讀取速度,擁有與DRAM相抗衡的記憶容量外,更各有其優勢。不論未來那一種MRAM能獨領風騷,都將是業界所樂見其成。優先掌握其關鍵技術才能成為下世代記憶體先鋒。

自旋傳輸力矩磁性隨機存取記憶體(STT-MRAM)是極有潛力的非揮發性記憶體,這是一種磁穿隧接面元件,其典型的結構為上下兩層鐵磁層中間夾著一層氧化層作為穿隧式層,這類磁性隨機記憶體在速度及密度上以及其非揮發性具有相當的優勢。不過穿隧式磁阻結構的自旋翻轉行為-自旋傳輸相當複雜,一般學術研究都有相應的分析方法,但如何去分析晶圓上MRAM元件的磁穿隧特性,對於半導體自動化量測是一項新挑戰。「自旋電子相關技術量測介紹」一文將針對現有的磁性記憶體量測方法加以探討。

主題專欄
循環經濟更早的用詞為資源回收,但是資源回收後的資源材料往往是應用於更低階的產品端;然而循環經濟的前瞻概念是,資源不僅僅要回收,還要有更高的附加價值應用,以及更優化的廢棄物管理與更高效率的回收。市場瞭望專欄與讀者分享「循環經濟概念下全球廢棄物回收市場與永續性技術的發展趨勢」,介紹循環經濟概念下,廢棄物回收市場的技術發展趨勢。包括聯網智能垃圾桶、智慧分撿技術、廢棄物分類技術、垃圾子車地下化與自動化地下輸送系統、磁磚導入拆建廢棄物、電子產品的環保接著劑、廢棄電子產品高效益貴金屬回收技術、空氣碳應用技術、電子產品貴金屬智慧履歷的大數據建立、拆建廢棄物的回收、廢棄物製備石化原料或燃料的技術等11項全球廢棄物未來技術發展,希望讓廢棄物的再利用價值提升,並達到更高的回收效率。

目前各家鋰離子電池業者皆將高能量密度、高安全性視為研發方面最重要的課題,但除了鋰離子電池各部材的機能強化之外,各部材之間的組合應用設計也決定了綜效發揮的程度。因此今後在被視為是日本專擅領域的電池產業,為求持續演進優化,電池、材料等相關業者的攜手合作也將更顯重要且關鍵。材料補給站專欄「車載LiB材料市場現況與產業發展動向」為讀者帶來日本旭化成、住友化、三菱化學、昭和電工、宇部興產、第一工業製藥等重要公司在鋰離子電池6項主要構成材料(正極活物質、正極集電體、負極活物質、負極集電體、電解液、隔離膜)的發展現況。

植基於工研院獨家專利授權之奈米超薄靜電喇叭單體技術,茂宇科技投入近九年研發,加上高效能動態喇叭單體與高解析音樂(Hi-Res)相關的聲學技術,以及關鍵核心「Hybrid Dual Driver」整合,開發出All-in-one可攜式靜電喇叭耳機,符合輕、薄、省電與多樣式的趨勢,讓人人得享高品質耳機的好聲音。工業材料雜誌團隊走訪茂宇科技,「聽覺的米其林饗宴  茂宇科技雙雄聯手摘三星」一文為讀者帶來該公司產品的研發歷程與特色,以及經營團隊一步一腳印的生產、行銷策略。該公司耳機產品可依不同功能應用在影音視聽、生活娛樂、3C消費電子、醫療(如助聽器)、電玩電競、運動、運輸交通、物聯網等產業,歡迎策略聯盟洽談。

「熱門專利組合」本期精選工研院材化所在「綠色能源儲能系統」、「磁性材料」、「電容」三大領域之優質專利組合。「綠色能源儲能系統」計有電極層材料與結構、燃料電池堆結構設計技術、平面燃料電池、以及高效能、低成本燃料電池四項;「磁性材料」計有電子用磁性材料、生化用磁性分離檢測兩項;「電容」計有多層堆疊電解電容、固態電解電容兩項。資料豐富多元,有興趣合作之讀者請與材化所智權室聯繫。

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